CN114966981A - 一种塑料光纤微透镜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塑料光纤微透镜及其制备方法,属于光学透镜技术领域，包括平头光纤、圆台形透镜、非球面透镜，圆台形透镜的两端截面为直径不同的圆形，平头光纤的端面与圆台形透镜的小圆端相连，非球面透镜的平面端与圆台形透镜的大圆端相连。制备方法包括如下步骤：光纤预处理、光纤置入光纤熔接机、设置参数、光纤烧球。本发明可以得到较为理想的耦合效率，且加工难度小、制备成本低。本发明中塑料光纤和透镜材料相同，在透镜过渡面上的散射和反射将大大减少，球面‑圆台形微透镜结构结合了非球面透镜修正球面透镜像差、增大光纤接收角以及圆台扩大透镜尺寸的优势，这将更有利于收集和聚焦光束，从而有效提升光纤的耦合效率。

Description

一种塑料光纤微透镜及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学透镜技术领域，尤其涉及一种塑料光纤微透镜及其制备方法。

背景技术

塑料光纤质轻、柔软、成本低、性能独特、照明安全且美观，在照明装饰方面有着广泛的应用。同时，塑料光纤带宽大、易连接、抗电磁干扰、传输效率高，很适宜用作各种通信和电视网络中的光传输介质，尤其适用于短距离、中小容量、使用连接器多的系统，如低成本接入光网络。塑料光纤通信系统作为全面实施“光进铜退”的重要手段之一，有望推进“宽带中国”和“互联网+”进程。然而，由于塑料光纤口径大，与光纤法兰盘不兼容，在光耦和系统中无法通过现有的光纤耦合器将发射的光能量最大限度地耦合到接收光纤中。目前，光学系统中光源与塑料光纤的高效耦和仍是一个亟待解决的难题。

现代光学系统越来越向着小型化、轻量化、结构简单化、低成本、高效率的方向发展。关于光学系统中的光纤耦合技术通常需要达到两个“尽量”：1.耦合效率尽量高，尽可能提高光纤出射光功率和工作距离；2.光反射尽量低，光反射会引起光学器件脱离稳态，使整个光路系统不稳定，从而降低系统性能。半导体激光器与塑料光纤耦合时，为使耦合效率达到最佳，除了需要考虑二者之间的特征参量的相互匹配问题，比如，半导体激光器的发光面积、发散角、输出功率和塑料光纤的芯径、数值孔径的匹配问题。还需要借助外置透镜或者利用光纤微透镜，实现耦合效率的提升。相比传统光耦合中常用的外置微透镜耦合法，光纤微透镜简单、紧凑、免装调、尺寸小、易封装,可一步同轴校准,是一种优选的耦合手段。

光纤微透镜亦称微透镜光纤，微透镜形状包括半球形、楔形、锥形、圆柱形、斜面形、双曲面形、抛物线形等，微透镜改变了光纤端面的结构，能够对光束进行扩束、准直或聚焦,从而起到光路改变和模式转换的作用。一般综合考虑耦合对象的实际功能需求、透镜加工难度、加工成本等因素选择合适的透镜形状和性价比高的加工手段。光纤微透镜被广泛应用于光纤耦合、光互连、光纤传感、光纤通信等领域。

传统的光纤微透镜多选用石英玻璃为基质材料，目前石英玻璃光纤微透镜的制作方法已比较成熟，比如研磨抛光、化学腐蚀、液体固化、加热熔融等，但这些方法并非都适用于塑料光纤。例如，研磨抛光法是利用光纤端面研磨机对光纤端面研磨抛光来制备光纤微透镜，此类方法对加工设备的精度要求高、操作难度大，不宜批量生产，制备成本相对较高。化学腐蚀法是利用纤芯和包层蚀刻的速度差异来形成光纤微透镜，由于速度难以控制，微透镜的形状和曲率也难以控制，可重复性较低。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种塑料光纤微透镜及其制备方法，通过烧球技术制备端面形状特殊(非球面-圆台形)的塑料光纤微透镜，实现光耦合效率的提升，有着重要的现实意义，可应用于低成本的光纤通信、光互联、光成像等领域，也可作为诸多光学器件的重要组成零件。

本发明采用的技术方案是：

一种塑料光纤微透镜,其特征在于，包括平头光纤、圆台形透镜、非球面透镜，所述圆台形透镜的两端截面为直径不同的圆形，所述平头光纤的端面与所述圆台形透镜的小圆端相连，所述非球面透镜的平面端与所述圆台形透镜的大圆端相连。

进一步地，所述的一种塑料光纤微透镜,其特征在于，所述圆台形透镜的小圆端半径与平头光纤的包层半径相同。

进一步地，所述的一种塑料光纤微透镜,其特征在于，所述非球面透镜、圆台形透镜、平头光纤三者同轴连接。

进一步地，所述的一种塑料光纤微透镜，其特征在于，所述平头光纤、圆台形透镜、非球面透镜均采用塑料材质，可大大降低透镜过渡面上光的散射和反射。且塑料材质熔点低、质地软，易采取烧球技术。

一种塑料光纤微透镜的制备方法,其特征在于，包括如下步骤：

步骤1光纤预处理：选取一根待处理的塑料平头光纤，剥除涂覆层，用砂纸将光纤端面打磨，水洗端面，并用酒精棉擦拭干净，直至显微镜下观察端面平整；

步骤2光纤置入光纤熔接机：将光纤熔接机复位，将光纤用符合光纤直径的夹具夹持，并放入熔接机中合适位置；

步骤3设置参数：在控制光纤熔接机的软件上设置光纤直径、球半径、激光器的光功率、旋转速度、送料速度，进行初始化参数写入；

步骤4光纤烧球：开始烧球程序，调节适当的光纤位置和马达位置，开始烧球2-5分钟，烧制完毕后将光纤熔接机复位，取出塑料光纤微透镜，在显微镜下观察透镜形状。

本发明的加工方法简单，直接借助光纤熔接机即可，易于实际操作且可重复性较高。光纤熔接机(LZM-100)内置的CO₂激光器，作为光纤端面熔融成透镜结构的稳定加热源。CO₂激光器输出光斑的能量呈高斯分布，发出的光经分束镜后形成两束夹角约为170度的等能量的激光，照射到光纤端面进行加热熔融。熔接机中内置平移电机控制送料速度，内置旋转电机使光纤端面均匀受热，并配有两个摄像头实时监测制备进程。此外，熔接机的工作参数、透镜的结构参数可由用户在程序中自主设定。

本发明的优点是：

本发明基于塑料光纤具有芯径大、数值孔径大等优势，提出一种简单、低成本、高耦合效率的塑料光纤微透镜及其制备方法，该制备方法可以得到较为理想的耦合效率，且加工难度小、制备成本低。本发明中塑料光纤和透镜材料相同，在透镜过渡面上的散射和反射将大大减少，球面-圆台形微透镜结构结合了非球面透镜修正球面透镜像差、增大光纤接收角以及圆台扩大透镜尺寸的优势，这将更有利于收集和聚焦光束，从而有效提升光纤的耦合效率。且其所属光耦合系统无需精密组装和校准，从而系统的性能更加稳定。本发明在塑料光纤接入网通信、照明及太阳能利用等领域有可行性应用。

附图说明

图1为圆台形透镜光纤的结构示意图；

图2为球面形透镜光纤结构图及光路图；

图3为本发明的非球面-圆台形的塑料光纤微透镜结构示意图；

图3中：1平头光纤、2圆台形透镜、3非球面透镜；

图4为高斯光束经过本发明的透镜的光路示意图；

图5为本发明一种塑料光纤微透镜的制备方法的流程图；

图6为实验装置示意图；

图7为显微镜下的塑料光纤微透镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1。

如图3所示，一种塑料光纤微透镜,包括平头光纤1、圆台形透镜2、非球面透镜3，圆台形透镜2的两端截面为直径不同的圆形，平头光纤1的端面与圆台形透镜2的小圆端相连，非球面透镜3的平面端与圆台形透镜2的大圆端相连，平头光纤1、圆台形透镜2、非球面透镜3均采用塑料材质。

圆台形透镜的小圆端半径与平头光纤的包层半径相同。非球面透镜、圆台形透镜、与平头光纤三者同轴连接。

为验证本发明确可提升耦合效率和测试耦合性能优化程度，这里将平头光纤和四组参数不同的透镜光纤(其显微镜下的结构见图7)进行了对比实验，实验装置见图6，具体实验方法如下：

(1)将LD光源发出的光经过聚焦透镜后，准直到1m未经烧球处理的平头塑料光纤中，再用光功率计分别测量光纤输入端和输出端光功率。多次测量取平均值，计算耦合效率。

(2)将LD光源发出的光经过聚焦透镜后，准直到1m经烧球处理后得到的透镜塑料光纤中，再用光功率计测量光纤输入端和输出端光功率。多次测量取平均值，计算耦合效率。

(3)对比可得(见表1，其中P_in1、P_in2表示两组入射光功率，P_out1、P_out2表示对应的出射光功率，η₁、η₂表示对应的耦合效率，

表示平均耦合效率)，本发明提出的塑料光纤微透镜相较于平头光纤，耦合效率显著提升，因而具有更好的导光性能和光聚焦能力。

表1.平头光纤及本发明四组实例相关实验数据

这里将透镜光纤④作为实例详细介绍其制备方法，如图5。

首先选取一段长度为1m的塑料光纤，用砂纸打磨光纤端面，水洗端面，并用酒精棉片擦拭，直至显微镜下观察端面状态平整。再将熔接机复位，用合适的夹具夹持光纤并放在熔接机的适当位置。打开软件，设置参数：光纤直径1000um，烧球直径1200um，加热功率60bits，旋转速度230deg/s，送料速度0.01mm/s等等，进行初始化数据写入。开始烧球程序，首先熔接机自动微调光纤和马达位置，然后正式烧球2-5min，直至烧球结束。结束烧球后，再次将熔接机复位，取出透镜塑料光纤，并在显微镜下观察。比较关键的是为了得到完全对称的透镜结构，这里将转速设置为最大转速。

将上述透镜光纤用空间光进行耦合，测量光纤输入端和输出端的光功率并计算耦合效率，空间光耦合的实验装置图如图6所示。最后计算可得该透镜塑料光纤的平均耦合效率为68.53％，特别是在光纤入射光功率为10.24mw、出射光功率为7.23mw时，耦合效率高达70.61％。原来的平头光纤平均耦合效率为25.32％，本发明在上述参数条件下，耦合效率提升了43％以上。由此可见，本发明可以有效提升大孔径塑料光纤的耦合效率。

本发明的透镜结构为非球面和圆台的组合，加上平头塑料光纤，就构成了完整的塑料光纤微透镜。这种非球面-圆台形微透镜不仅增大了光纤的接收孔径角，也补偿了球形透镜在聚焦光束时产生的球差，且该方法加工难度小、制备成本低，很适合作为大孔径塑料光纤提升光耦合效率的有效方案。为了说明本发明提升耦合效率的原理，这里将非球面-圆台形微透镜拆分成圆台和非球面透镜两个部分来分析。

首先介绍圆台部分，将平头塑料光纤的端面加上一个圆台的的结构(如图1所示)，圆台的小圆面和光纤端面相连。圆台的大圆面的半径为r，塑料光纤纤芯半径为a，包层半径为b，r>b>a。原来平头光纤的端面面积为πa²，圆台透镜的存在使光纤端面面积扩大为πr²。准直光束如果斜入到基于圆台型透镜的光纤端面上，光线入射方向与光纤轴的夹角为θ。假设准直光束为均匀光束，即光束横截面单位面积上通过的光功率I(r)＝I₀，则入射到圆台型透镜光纤端面上的总辐射功率为πr²I₀cosθ，入射到原来平头光纤端面的总辐射功率为πa²I₀cosθ。光纤端面尺寸的加大，可以使光纤接收更大范围的光束，从而提升光纤端面接收的光功率。这种结构可以加强光纤对远场光源的聚焦能力，也可以汇聚近场光源发散角较大的高斯光束。

为了分析非球面透镜提升耦合效率的原理，这里先介绍最早提出的球面微透镜光纤。球面微透镜光纤结构简单，即将平头光纤的端面制成半球形结构，如图2所示。它的作用类似于凸透镜，可以折射光线，使光束在短传播距离内收敛，从而达到聚焦光源、增加工作距离的目的。

图中，θ表示空气中的入射光线与光纤轴的夹角，θ_r表示折射光线与光纤轴的夹角，也即光纤的接收角。球面形光纤微透镜提升耦合效率的原理主要是增大光纤的接收孔径角。假设平头光纤接收光线的最大接收角(截止角)为θ_rmax，光纤中入射角大于θ_rmax的光线成为折射光线，这些光线在纤芯和包层的界面上发生折射，在包层中传播一段时间后，最终从光纤中损耗。球透镜的作用就是增大θ_rmax，将原来部分折射光线变为束缚光线，使这些光束依然可以在光纤中发生全反射并向前传播。球面微透镜光纤的等效接收角θ_req可表示为

式中，a为纤芯半径,b为包层半径，即球面镜的最大半径r，n₁和n₂分别为纤芯和包层的折射率。显然球面微透镜可以通过增加光束接收角从而汇聚更多的光束。非球面透镜也是如此，即通过增大光纤接收角来增强集光能力，其结构就是将图2的球面透镜改为非球面透镜。

本发明在圆台形透镜光纤的基础上加上一个完全对称的非球面透镜，如图3所示。透镜的组成部分选用非球面微透镜而非球透镜，主要原因在于半球形透镜的曲率半径较大，通过透镜不同部位的光路长度并不完全相等，聚焦的光线之间的相位差会产生球差，即光线不能聚焦到单个点上而产生较大的弥散光斑。此外，这种透镜结构存在较强的光反射，耦合损耗较大。为了改善耦合效果，可采用非球面微透镜以修正光路长度误差，将所有光线集中到一个点。非球面-圆台形微透镜结合了非球面透镜修正球面透镜像差、增大光纤接收角以及圆台扩大透镜尺寸的优势，可以对光束发散角大的高斯光束和远场光源有较强的聚焦能力，使光斑更小更亮，从而更有效地提升光纤的耦合效率。

由前面分析可知，准直光束斜入到基于圆台型透镜光纤端面上的总功率为

P_t＝πr²I₀cosθ (2)

以阶跃光纤为例，入射光线的有效功率可表达为

其中θ_max为光线成为束缚光线在端面上的最大入射角。依据

相应的耦合效率为

本发明透镜光纤增加了光纤接收孔径角，即θ_rmax增大，相应θ_max也是增加的，也即束缚光线增多，从而总的耦合效率相较于平头光纤得到提升。

为了进一步分析本发明透镜结构的聚焦性能，这里对近轴高斯光束经过该透镜后聚焦光斑的尺寸大小做出理论分析。高斯光束经过透镜见图4。图中，透镜的非球面部分厚度为d₁，圆台厚度为d₂，折射率为n，曲率半径为R。引入一个复光束参数q，用双线性变换(ABCD定律)的简单形式写出该光学结构的变换律，并给出最小光斑尺寸的表达式。

这个透镜的ABCD矩阵可表示为：

其中，f＝-R/(n-1)。依据透镜的折射率n，透镜的厚度d₁+d₂，曲率半径R、入射光束的波长λ以及在输入平面处的束腰半径ω₁来制定最小光斑尺寸ω₂，可得到

通过公式(6)，可以得到，当设置d₁，d₂，n，ω₁为定值时，随着透镜曲率半径R的减小，最小光斑尺寸ω₂逐渐减小。平头光纤端面可以看作一个曲率半径无限大的透镜，而本发明的透镜的曲率半径远小于平头光纤端面，因而聚焦性能更好。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种塑料光纤微透镜,其特征在于，包括平头光纤、圆台形透镜、非球面透镜，所述圆台形透镜的两端截面为直径不同的圆形，所述平头光纤的端面与所述圆台形透镜的小圆端相连，所述非球面透镜的平面端与所述圆台形透镜的大圆端相连。

2.根据权利要求1所述的一种塑料光纤微透镜,其特征在于，所述圆台形透镜的小圆端半径与平头光纤的包层半径相同。

3.根据权利要求1所述的一种塑料光纤微透镜,其特征在于，所述非球面透镜、圆台形透镜、平头光纤三者同轴连接。

4.根据权利要求1所述的一种塑料光纤微透镜,其特征在于，所述平头光纤、圆台形透镜、非球面透镜均采用塑料材质。

5.一种用于权利要求1-4任一项所述的塑料光纤微透镜的制备方法,其特征在于，包括如下步骤：

步骤1光纤预处理：选取一根待处理的塑料平头光纤，剥除涂覆层，用砂纸将光纤端面打磨，水洗端面，并用酒精棉擦拭干净，直至端面平整；

步骤2光纤置入光纤熔接机：将光纤熔接机复位，将光纤用符合光纤直径的夹具夹持，并放入熔接机中合适位置；

步骤3设置参数：在控制光纤熔接机的软件上设置光纤直径、球半径、激光器的光功率、旋转速度、送料速度，进行初始化参数写入；

步骤4光纤烧球：开始烧球程序，调节适当的光纤位置和马达位置，开始烧球2-5分钟，烧制完毕后将光纤熔接机复位，取出塑料光纤微透镜，在显微镜下观察透镜形状。

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